殷建軍，趙子儀，項(xiàng)祖豐，湯健彬

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014；2.浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

?

基于LPC1768的高精度溶解氧測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)

殷建軍1，趙子儀1，項(xiàng)祖豐1，湯健彬2

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014；2.浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

摘要：采用極譜式溶解氧電極，以LPC1768為核心處理器，設(shè)計(jì)了一種高精度溶解氧測(cè)量?jī)x，詳細(xì)介紹了溶解氧檢測(cè)系統(tǒng)的組成、溶解氧測(cè)量?jī)x的工作原理以及檢測(cè)系統(tǒng)各模塊電路和對(duì)應(yīng)的功能模塊軟件的設(shè)計(jì)過(guò)程.分析了對(duì)溶解氧測(cè)量有影響的溫度、壓力和鹽度三個(gè)參數(shù)并給出相關(guān)的修正公式，采用24位高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS1255以及在軟件上的根據(jù)修正公式進(jìn)行多參數(shù)補(bǔ)償，提高了測(cè)量精度.針對(duì)使用的環(huán)境，應(yīng)用一套電源管理策略使該溶解氧測(cè)量?jī)x能夠節(jié)能、穩(wěn)定地在海洋環(huán)境中工作.

關(guān)鍵詞：極譜式；溶解氧；LPC1768；電源管理策略

在水質(zhì)監(jiān)測(cè)、海洋測(cè)量等眾多領(lǐng)域溶解氧是一個(gè)重要的水質(zhì)參數(shù).目前國(guó)內(nèi)常用的溶解氧分析儀型號(hào)有瑞士Orbisphere公司的365便攜式檢測(cè)分析儀和梅特勒-托利多公司的InTap595便攜式溶解氧分析儀，其測(cè)量精度可以達(dá)到μg/L級(jí)，但價(jià)格過(guò)高，難以得到廣泛使用，而國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的測(cè)量?jī)x精度一般為mg/L[1]級(jí)，因此設(shè)計(jì)價(jià)格適中、測(cè)量精確的溶解氧傳感器具有重要的意義.

設(shè)計(jì)的溶解氧測(cè)量?jī)x采用NXP公司的基于Cortex-M3內(nèi)核的LPC1768作為處理器，采用24位A/D轉(zhuǎn)換器，再加上軟件的溫度、壓力和鹽度的輔助多參數(shù)的補(bǔ)償來(lái)提高測(cè)量精度.文中設(shè)計(jì)的溶解氧檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于復(fù)雜的長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人監(jiān)管的海底環(huán)境，在這種的環(huán)境中，由于電源更換周期長(zhǎng)，所以對(duì)系統(tǒng)電源的低功耗設(shè)計(jì)有要求.考慮到此種情況，在系統(tǒng)電源管理上提出一種策略，使得系統(tǒng)電源能更節(jié)能更穩(wěn)定的應(yīng)用在海底的環(huán)境中.

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的高精度溶解氧測(cè)量?jī)x主要包括溶解氧傳感器模塊、溫度傳感器模塊、壓力傳感器模塊、鹽度傳感器模塊、處理器模塊、通信模塊、電源管理模塊等.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1　The image of system structure

溶解氧傳感器模塊最重要的器件是極譜式溶解氧傳感器，該傳感器由電極、電解液和氧擴(kuò)散膜組成.電極包括陰極和陽(yáng)極，在陽(yáng)極上加上適當(dāng)?shù)臉O化電壓，氧化反應(yīng)就會(huì)發(fā)生在陽(yáng)極，陰極上會(huì)發(fā)生還原反應(yīng).陰極上會(huì)輸出弱電流，并且電流大小同溶解氧的質(zhì)量濃度成比例關(guān)系[2]，溶解氧質(zhì)量濃度和電流的關(guān)系式[3]為

(1)

式中：n為反應(yīng)的得失電子數(shù)；F為法拉第常數(shù)；A為陰極的面積；D為溶解氧的擴(kuò)散系數(shù)；c為溶解氧的質(zhì)量濃度；l為擴(kuò)散層的厚度.從關(guān)系式(1)中可以看出電流同溶解氧的質(zhì)量濃度成正比.所以利用電流信號(hào)就可以測(cè)得溶解氧的質(zhì)量濃度.整個(gè)反應(yīng)過(guò)程為

陽(yáng)極：4Ag+4Cl-→4AgCl+4e-

陰極：O2+2H2O+4e→4OH-

2影響溶解氧測(cè)量的因素

2.1溫度對(duì)溶解氧的影響

當(dāng)溫度不變時(shí)，溶解氧電極產(chǎn)生的擴(kuò)散電流隨著待測(cè)溶液中的氧分壓增加而增加，但當(dāng)溫度升高時(shí)，溶液中的氧的溶解度將減小，而透氧膜的擴(kuò)散系數(shù)卻增加，阿侖尼烏斯定律說(shuō)明了膜的擴(kuò)散系數(shù)與溶解度的關(guān)系，因此在氧分壓P不變的情況下，電極的輸出電流I與溫度T的關(guān)系[4]為

I=i0Pe-(a/T)

(2)

式中i0和a為常數(shù).因此，由式(2)可知：在氧分壓P不變的情況下，溶解氧電極輸出電流隨著溫度的升高而增大[4].

2.2鹽度對(duì)溶解氧的影響

氧在水中的溶解度隨鹽含量的增加而減少，一般情況，水中氯離子每增加100 mg/L，水中溶解氧量減少0.01 mg/L左右[5]，式(1)中電流同溶解氧的關(guān)系式中沒(méi)有考慮到這些，可以在軟件中修正這一點(diǎn).修正的公式[6]為

C=Cs-nΔCs

(3)

式中：C為海水的飽和溶解氧的值，mg/L；Cs為純水的飽和溶解氧的值，mg/L；n為海水鹽度值，g/L；ΔCs為1 g/L含鹽量造成的溶解氧降低值，mg/L.不同溫度下Cs和ΔCs的值可通過(guò)查表得到.

2.3大氣壓對(duì)溶解氧的影響

氣液平衡時(shí)，溶液中的氧分壓與空氣中的氧分壓相同[7].大氣壓變化時(shí)，液體中溶氧含量也有相應(yīng)的變化，影響電極輸出.軟件上也要對(duì)此進(jìn)行修正，修正的公式[6]為

(4)

式中：Cn為大氣壓為P時(shí)的溶解氧的值；C為101.325 kPa時(shí)的溶解氧的值；P為大氣壓，kPa.

綜上可知：溫度、鹽度和大氣壓的補(bǔ)償能夠提高溶解氧的測(cè)量精度.

3系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

3.1處理器模塊

處理器采用的是NXP公司的LPC1768的ARM芯片.LPC1700系列Cortex-M3微處理器用于處理要求高度集成和低功耗的嵌入式應(yīng)用，其工作主頻可以到達(dá)100 MHz.LPC1700系列微控制器的外設(shè)組件包含高達(dá)512 kB的flash存儲(chǔ)器，64 kB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，8通道的12位ADC以及常見(jiàn)的IIC、CAN和SPI等總線接口，帶有獨(dú)立電池供電的超低功耗RTC，多達(dá)70個(gè)的通用IO管腳.LPC1768具有四種低功耗模式：睡眠、深度睡眠、掉電、深度掉電.LPC1768集成度高，從而簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)和電路板的布線，因此性價(jià)比極高.

3.2溫度傳感器模塊

溫度傳感器模塊采用的最主要的器件是Pt100.Pt100溫度傳感器由于具有精度高、穩(wěn)定性好、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化測(cè)量和各種實(shí)驗(yàn)儀器儀表領(lǐng)域中[8].常用的Pt100電阻接法有兩線制、三線制和四線制，兩線制測(cè)量精度差，四線制測(cè)量精度高但是需要的導(dǎo)線多，成本高.相對(duì)而言，三線制測(cè)量將導(dǎo)線電阻分別加在了平衡電橋的兩側(cè)，這使得導(dǎo)線電阻對(duì)電橋測(cè)量的誤差得以消除[9]，所以測(cè)量精度較好.如圖2所示，我們這里采用的是三線制橋式測(cè)溫電路.電路中的參考電壓是5 V電源分壓后由TL431和VR2配合調(diào)節(jié)所得，測(cè)量電橋的橋臂分別由電阻R18、R19、電位器VR3和PT100組成，為了計(jì)算方便，R18和R19取相同的的電阻值，調(diào)節(jié)電位器的阻值使得該橋臂的阻值為100 Ω，電橋平衡時(shí)沒(méi)有信號(hào)輸出，溫度變化時(shí)PT100阻值發(fā)生變化，電橋平衡狀態(tài)被打破，電橋輸出的兩條線路中會(huì)有電勢(shì)差，這個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)后續(xù)的低功耗的AD8226適當(dāng)?shù)胤糯蠛缶瓦M(jìn)行可以將信號(hào)輸入給處理器LPC1768，利用其自帶的12位的ADC進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換.

3.3壓力傳感器模塊

壓力傳感器模塊使用的主要器件是壓力傳感器，由于傳感器采用的是電橋平衡式原理，這里可以使用溫度傳感器模塊電路中的產(chǎn)生的參考電壓，后續(xù)電路可以同樣使用AD8226進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?，然后輸入給處理器LPC1768，同樣利用處理器自帶的ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換，如圖3所示.

圖2　溫度測(cè)量電路Fig.2　Temperature measurement circuit

圖3　壓力測(cè)量電路Fig.3　Pressure measurement circuit

3.4鹽度傳感器模塊

鹽度的測(cè)量與壓力類似，鹽度傳感器模塊使用的主要器件是鹽度傳感器，由于傳感器已經(jīng)集成好調(diào)理電路，這里設(shè)計(jì)就只需提供接口即可.接口使用RS-232標(biāo)準(zhǔn)串行接口，進(jìn)行異步通信[10].鹽度傳感器模塊使用MAX3232電平轉(zhuǎn)換芯片和9針串口接口，根據(jù)9針串口的定義，接收數(shù)據(jù)線RXD，發(fā)送數(shù)據(jù)先TXD和地線GND就可以完成最基本的串口通信功能[11].這樣數(shù)據(jù)可以傳到處理器LPC1768來(lái)進(jìn)行處理.

3.5溶解氧傳感器模塊

溶解氧傳感器模塊中采用了極譜型的溶解氧傳感器，溶解氧傳感器需要在0.68 V的極化電壓下工作，于是就使用了穩(wěn)壓元件LM385Z-1.2和電位器進(jìn)行分壓以得到0.68 V的極化電壓.由于傳感器電極在工作的過(guò)程中不斷發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，所以其阻抗是會(huì)發(fā)生變化的，為了防止這種變化給前級(jí)電源的輸出電壓造成影響，于是在電源后級(jí)后面加了個(gè)電壓跟隨器用作緩沖器.利用電壓跟隨器輸入阻抗高，輸出阻抗小的特性起到隔離作用[3]，電路圖如圖4所示.

圖4　電壓跟隨器電路Fig.4　Voltage follower circuit

當(dāng)溶解氧傳感器陽(yáng)極輸入0.68 V的極化電壓，陰極就會(huì)輸出nA級(jí)的弱電流，所以必須把電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)并進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯笠赃m合A/D轉(zhuǎn)換的要求.溶解氧傳感器輸出的DO+信號(hào)首先經(jīng)過(guò)第一級(jí)由運(yùn)算放大器OP37組成的電流轉(zhuǎn)電壓電路，然后經(jīng)過(guò)低功耗運(yùn)算放大器AD620的第二級(jí)放大，電路圖如圖5所示.由于溶解氧參數(shù)是最重要的參數(shù)，溶解氧參數(shù)的精度直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量精度，我們使用了24位極低噪聲的A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS1255，ADS1255是德州儀器推出的一款低噪聲高分辨率、基于△—∑技術(shù)的高性能ADC，它的主要特點(diǎn)：24位無(wú)數(shù)據(jù)丟失；最大非線性度為±0.001 0%；高達(dá)23位的無(wú)噪聲精度；最高數(shù)據(jù)采樣率為30 kSPS.該型號(hào)ADC的有效位跟數(shù)據(jù)采樣率和其他可編程參數(shù)相關(guān)，參考ADS1255的數(shù)據(jù)手冊(cè)，ADS1255的有效位為16.5位時(shí)，參考電壓為2.5 V時(shí)，可算得分辨率可以達(dá)到10-4.ADS1255采用SPI接口與處理器LPC1768連接，需要外接參考電壓.SPI總線規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化程度高，使用該總線接口可簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，節(jié)省I/O口，提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性[12].

3.6通信模塊

通信模塊采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的RS-485串行總線接口，該總線采用平衡發(fā)送和差分接收的方式，抗干擾能力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)，通信速率高，被大多數(shù)工業(yè)儀表作為與其他裝置的主要通信方式[13].由于該通信接口的重要性，接口電路的附加保護(hù)措施也是必須考慮的環(huán)節(jié)，為了提高系統(tǒng)工作的可靠性，保護(hù)RS-485總線的電路加上的TVS管D6、D7和D8，這樣可以使得RS-485總線的元器件免受各種浪涌脈沖的損壞.通信模塊電路如圖6所示.

圖5　溶解氧信號(hào)放大電路Fig.5　DO signal amplifying circuit

圖6　通信模塊電路Fig.6　Communication module circuit

3.7電源管理模塊

電源管理模塊的設(shè)計(jì)主要的出發(fā)點(diǎn)在于可靠性和節(jié)能.系統(tǒng)采用鋰電池作為電源供電，供電電壓為12 V.由于電池的容量有限再加上更換電池的時(shí)間間隔較長(zhǎng)，所以需要采取節(jié)能設(shè)計(jì).為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能設(shè)計(jì)，采用的是只有處于工作狀態(tài)的元器件才上電的策略.處理器LPC1768和RS-485的通信接口要一直上電，可以讓處理器在平時(shí)空閑時(shí)工作在掉電模式，一旦接收到RS-485的喚醒信號(hào)就可以從掉電模式切換到工作狀態(tài)，這樣可以使得系統(tǒng)功耗更低.第一部分是給處理器LPC1768供電的模塊，如圖7所示，供電方法是由供電電源處的12 V經(jīng)過(guò)LM2575-3.3芯片以及電容的耦合和濾波提供3.3 V的電源.

圖7　處理器電源電路Fig.7　Processor power circuit

第二部分的供電模塊主要是給各個(gè)傳感器模塊供電的電源控制電路模塊，如圖8所示.電源控制電路主要由1只NPN三極管和LM2575-05的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器組成.電路的控制端連接處理器LPC1768的IO口，電源輸入端連接12 V供電電源，電源輸出端連接到各傳感器模塊的電源.通過(guò)控制處理器LPC1768的IO口的電平狀態(tài)，可以使得三極管Q1工作在導(dǎo)通和截止的不同狀態(tài).當(dāng)控制端輸出低電平的時(shí)候，NPN三極管截止，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器5引腳開(kāi)關(guān)端此時(shí)是高電平，即開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器處于關(guān)閉狀態(tài)，電源輸出端無(wú)輸出；當(dāng)控制端輸出高電平時(shí)，NPN三極管導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器5引腳開(kāi)關(guān)端此時(shí)是低電平，即開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器處于工作狀態(tài)，后續(xù)電路得到5 V的穩(wěn)壓電源.

第三部分是對(duì)鋰電池的電壓進(jìn)行監(jiān)控的模塊，如圖9所示.將電阻分壓得到的電壓同電池電壓經(jīng)過(guò)電路轉(zhuǎn)換得到的2.5 V基準(zhǔn)電壓輸入比較器，然后再將結(jié)果輸出到處理器LPC1768.電池剛開(kāi)始使用時(shí)，電阻分壓得到的電壓會(huì)高于2.5 V，比較器會(huì)輸出低電平，三極管Q3截止，輸入到LPC1768的將會(huì)是高電平，當(dāng)電池長(zhǎng)時(shí)間使用導(dǎo)致電壓下降后，電阻的分壓也會(huì)隨之下降，當(dāng)電阻分壓低于2.5 V后，比較器輸出高電平，三極管Q3導(dǎo)通，輸入到LPC1768的就變成低電平，可以通過(guò)RS-485通信接口遠(yuǎn)程監(jiān)控鋰電池電壓的狀態(tài)以提高系統(tǒng)的可靠性.

圖8　電源控制電路Fig.8　Power control circuit

圖9　電池電壓監(jiān)控電路Fig.9　Battery voltage monitoring circuit

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)使用C語(yǔ)言，平臺(tái)為Keil MDK，可以使用程序設(shè)計(jì)中模塊化的思想將各傳感器模塊的功能寫成子函數(shù)模塊，主函數(shù)中調(diào)用相應(yīng)的模塊系統(tǒng)就可以得到想要的功能.軟件設(shè)計(jì)主要包括設(shè)備上電后系統(tǒng)初始化，處理器的模式選擇，溫度信號(hào)的采集與計(jì)算，壓力信號(hào)的采集與計(jì)算，鹽度信號(hào)的采集與計(jì)算，溶解氧信號(hào)的采集與分析，溶解氧信號(hào)的補(bǔ)償和串口通信等等.主程序流程圖如圖10所示.

圖10　主程序流程圖Fig.10　Main program flow chart

為了保證各個(gè)測(cè)量參數(shù)的精度，各個(gè)參數(shù)都需要進(jìn)行標(biāo)定以減少系統(tǒng)的誤差.各測(cè)量參數(shù)的程序流程類似，區(qū)別就在于溶解氧的測(cè)量使用的是外部的A/D轉(zhuǎn)換器而其他參數(shù)使用的是LPC1768自帶的A/D轉(zhuǎn)換器，所以溶解氧測(cè)量模塊需要ADS1255的驅(qū)動(dòng)程序.標(biāo)定程序的流程圖和ADS1255驅(qū)動(dòng)程序流程圖如圖11，12所示.

圖11　標(biāo)定程序流程圖Fig.11　Calibration program flow chart

圖12　ADS1255驅(qū)動(dòng)程序流程圖Fig.12　ADS1255 drivers flow chart

5測(cè)量結(jié)果分析

分別使用專業(yè)機(jī)構(gòu)經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的溶解氧的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量?jī)x器和文中設(shè)計(jì)的測(cè)量?jī)x測(cè)量了相同環(huán)境中純水中一系列溫度下的溶解氧的質(zhì)量濃度，通過(guò)加熱方法改變水的溫度，對(duì)比的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示.

表1　溶解氧測(cè)量數(shù)據(jù)

從表1中的數(shù)據(jù)可知：設(shè)計(jì)的溶解氧測(cè)量?jī)x與標(biāo)準(zhǔn)溶解氧測(cè)量?jī)x器測(cè)量的數(shù)據(jù)誤差在±0.1 mg/L之內(nèi)，設(shè)計(jì)的溶解氧測(cè)量?jī)x的最大量程為20 mg/L，相對(duì)誤差為1%，具有較好的測(cè)量精度.

6結(jié)論

介紹了溶解氧測(cè)量?jī)x的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成和工作原理，分析了各功能模塊的硬件電路以及相關(guān)軟件的設(shè)計(jì)過(guò)程，提出了一種電源管理的策略，使得整個(gè)系統(tǒng)功耗更低，在海底工作周期更長(zhǎng)，可靠性和穩(wěn)定性更好.硬件上采用了24位ADC，提高了A/D轉(zhuǎn)換的分辨率；分析了對(duì)溶解氧產(chǎn)生影響的幾個(gè)主要因素，在軟件上對(duì)溶解氧進(jìn)行了溫度、大氣壓和鹽度的補(bǔ)償，試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明測(cè)量的相對(duì)誤差為1%，有較好的測(cè)量精度，在實(shí)際使用中具有一定的使用價(jià)值.

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(責(zé)任編輯：陳石平)

Design of a LPC1768 based high-precision polarographic dissolved

oxygen measuring instrument

YIN Jianjun1, ZHAO Ziyi1, XIANG Zufeng1, TANG Jianbin2

(1.College of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China;

2.College of Information Engineering , Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Abstract:Using polarographic dissolved oxygen electrode and LPC1768 as core processor, a high-precision oxygen measuring instrument was designed. The composition of the dissolved oxygen monitoring system, the principle of the measuring instrument and system modules hardware circuit and software process were introduced in detail. Temperature, pressure and salinity of three parameters which have effect on dissolved oxygen were analyzed and the correction formula were given, then the 24 bits high-precision A/D converter chip ADS1255 was used and multi-parameter compensation was applied in software and the precision is improved. It can be seen that based on a power management strategy the sensor worked efficiently and stably in the marine environment.

Keywords:polarographic; dissolved oxygen; LPC1768; power management strategy

文章編號(hào)：1006-4303(2015)04-0405-07

中圖分類號(hào)：TP212

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡(jiǎn)介：殷建軍(1967—)，男，浙江諸暨人，副教授，研究方向?yàn)闄z測(cè)與控制，E-mail：yinjj@zjut.edu.cn.

收稿日期：2015-01-28